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물리학 이론을 기반으로 역대 가장 규모가 큰 초기 우주 시뮬레이션이 수행됐다. 슈퍼컴퓨터로 20억년에 걸친 우주 진화 과정을 모사해 이론이 예측한 우주의 모습과 실제 망원경 관측 결과를 정밀하게 비교할 새로운 기반을 마련했다는 평가다. 미국 하버드·스미스소니언 천체물리학센터와 미국 댈러스텍사스대 공동연구팀은 빅뱅 이후 약 20억년 동안 초기 우주에서 은하와 별이 형성되고 수소와 헬륨이 이온화되는 과정을 대규모로 재현한 컴퓨터 시뮬레이션 '루미나(Lumina)'를 개발하고 연구결과를 26일 국제학술지 '영국왕립천문학회 월간보고'에 발표했다. 초기 우주는 최초의 별과 은하가 형성되면서 이들이 방출한 강력한 빛에 의해 우주 공간에 퍼져 있던 중성 수소와 헬륨이 전자를 잃고 이온화되는 '재이온화(reionization)' 과정을 거친 것으로 추정된다. 하지만 방대한 우주 공간에서 물질과 복사에너지의 상호작용을 정밀하게 계산하는 데는 한계가 있다. 온라인 연구팀은 암흑물질과 일반 물질, 복사에너지의 상호작용을 동시에 계산하는 '복사유체역학 시뮬레이션'을 개발해 한 변이 약 15억 광년(1광년은 빛의 속도로 1년간 이동한 거리)인 정육면체 공간에서 초기 우주의 진화 과정을 재현했다. 비슷한 원리로 작동하는 기존 시뮬레이션보다 다루는 부피가 100배 이상 크다. 루미나 개발에는 미국 오크리지국립연구소의 슈퍼컴퓨터 '프런티어(Frontier)'에 탑재된 그래픽처리장치(GPU) 1만5000개 이상이 투입됐다. 기존 시뮬레이션과 달리 수소뿐 아니라 헬륨의 재이온화 과정도 주변 물질의 온도와 밀도, 은하의 진화에 미치는 영향을 실시간으로 반영하도록 설계했다. 시뮬레이션 결과 초기 우주의 수소 재이온화는 주로 별에서 방출된 빛의 영향으로 진행됐다. 헬륨의 재이온화는 초대질량블랙홀이 주변 물질을 흡수하며 강력한 복사에너지를 방출하는 활동은하핵(AGN)이 주도한 것으로 나타났다. 게임렌드릴게임 시뮬레이션에서 예측한 우주배경복사가 우주 공간의 전자와 부딪혀 흩어진 정도는 유럽우주국(ESA) 플랑크 우주망원경의 실제 관측 결과와 잘 맞아떨어졌다는 설명이다. 우주배경복사는 초기 우주에서 사방으로 퍼져 나간 빛이 우주 팽창에 따라 파장이 길어져 현재 마이크로파 영역의 전자기파로 관측되는 현상을 말한다. 은하 사이에 퍼진 가스의 온도와 전자가 떨어져 나가 이온화된 정도도 기존 관측 결과와 대체로 일치했다. 연구팀은 루미나를 통해 기존보다 훨씬 넓은 우주 공간을 정밀하게 계산하는 동시에 관측 빈도가 낮은 초기 은하와 블랙홀의 형성 과정, 은하 사이를 이동하는 가스의 흐름 등을 보다 체계적으로 분석할 수 있을 것으로 기대했다. 루미나는 미국 항공우주국(NASA)의 제임스웹 우주망원경(JWST)과 지난달 본격적으로 관측을 시작한 낸시그레이스로먼 우주망원경의 관측 자료를 시뮬레이션 결과와 비교해 기존 우주 진화 이론의 정확성을 검증하고 새로운 물리 현상의 단서를 찾는 데 활용될 계획이다. <참고 자료> - doi.org/10.1093/mnras/stag1469 > 연구팀은 암